氢气产生系统和使用方法与流程

本发明总体上涉及氢气产生。更具体地，本发明涉及参与电化学途径的氢气产生。

背景技术：

1、石油和化学工业需要大量的氢气。例如，大量氢气用于升级化石燃料和产生氨或甲醇或盐酸。石油化工厂需要氢气进行加氢裂化、加氢脱硫、加氢脱烷基化。提高不饱和脂肪和油的饱和度的加氢工艺也需要氢气。氢气还是金属矿石的还原剂。氢气可以通过电解水、蒸汽重整、实验室规模的金属酸工艺、热化学方法或厌氧腐蚀产生。许多国家都致力于发展氢气经济。

2、水煤气变换(wgs)反应描述了一氧化碳和水蒸气形成二氧化碳和氢气的反应：反向水煤气变换(rwgs)反应是在反向方向上的反应，即二氧化碳和氢气反应以形成一氧化碳和水。这两个反应wgs和rwgs处于平衡状态。wgs平衡反应存在于许多应用中，如在氨、烃、甲醇和氢气的产生中。其经常与甲烷和其它烃的蒸汽重整结合使用。在费舍尔-托普希工艺(fischer-tropsch process)中，wgs平衡反应是用于平衡h2/co比率的最重要的反应之一。另外，wgs平衡反应已与煤的气化相组合以产生氢气。通常，wgs反应由两个类别的催化剂催化——高温变换(hts)催化剂和低温变换(lts)催化剂。hts催化剂由通过氧化铬稳定的氧化铁组成；lts催化剂基于铜。迄今为止，wgs平衡反应已经以化学方式进行。

3、与传统实践相反，本公开讨论了电化学进行的wgs反应的意外发现。还讨论了电化学反应器和进行此类反应的方法。具体地，本公开包含对用于氢气产生的方法和系统的讨论。

技术实现思路

1、本文讨论了一种氢气产生系统，其包括：催化部分氧化(cpox)反应器；蒸汽发生器；以及电化学(ec)反应器；其中cpox反应器产物料流被引入到所述ec反应器中，并且所述蒸汽发生器将蒸汽提供到所述ec反应器；并且其中所述产物料流和所述蒸汽在所述ec反应器中彼此不接触。在一实施例中，所述ec反应器生成包括co和co2的第一产物料流以及包括h2和h2o的第二产物料流，其中两种产物料流彼此不接触。在一实施例中，所述系统被配置成使得所述第二产物料流的一部分再循环以进入所述ec反应器。

2、在一实施例中，所述cpox反应器利用空气作为氧化剂，并且任选地其中所述cpox反应器产物料流在不进行气体分离的情况下直接被引入到所述ec反应器中。在一实施例中，所述系统被配置成使得所述第一产物料流的至少一部分再循环以进入所述蒸汽发生器。

3、在一实施例中，所述cpox反应器利用氧气作为氧化剂，并且任选地其中所述cpox反应器产物料流在不进行气体分离的情况下直接被引入到所述ec反应器中。

4、在一实施例中，所述系统被配置成使得所述第一产物料流的至少一部分再循环到所述cpox反应器中。在一实施例中，所述系统被配置成使得所述第一产物料流的至少一部分被送至碳捕获单元。

5、在一实施例中，所述ec反应器包括离子导电膜，其中所述反应器能够电化学地进行水煤气变换反应，其中电化学水煤气变换反应涉及离子通过所述膜的交换，并且包含正向水煤气变换反应、或反向水煤气变换反应或两者。在一实施例中，所述膜还是电子导电的。

6、在一实施例中，所述ec反应器包括多孔电极，所述多孔电极包括金属相和陶瓷相，其中所述金属相是电子导电的，并且其中所述陶瓷相是离子导电的。在一实施例中，所述ec反应器包括阳极和阴极以及阳极侧上的催化剂，其中所述催化剂促进化学反向水煤气变换(rwgs)反应。

7、本文还讨论了一种产生氢气的方法，所述方法包括：将烃引入到催化部分氧化(cpox)反应器中以生成产物料流；以及将所述产物料流和蒸汽提供到电化学(ec)反应器，其中所述产物料流和所述蒸汽在所述ec反应器中彼此不接触。

8、在一实施例中，所述ec反应器包括离子导电膜，其中所述反应器能够电化学地进行水煤气变换反应，其中电化学水煤气变换反应涉及离子通过所述膜的交换，并且包含正向水煤气变换反应、或反向水煤气变换反应或两者。在一实施例中，所述膜还是电子导电的。在一实施例中，所述膜将所述产物料流与所述蒸汽分离。

9、在一实施例中，所述ec反应器使cpox反应器产物料流在还原环境中氧化并生成包括co和co2的第一产物料流；并且其中ec反应器电化学地将蒸汽还原为氢气并生成包括h2和h2o的第二产物料流。在一实施例中，所述膜将所述第一产物料流与所述第二产物料流分离。在一实施例中，所述第二产物料流的至少一部分再循环以进入所述ec反应器。

10、在一实施例中，所述cpox反应器利用空气作为氧化剂，并且其中任选地所述cpox反应器产物料流在不进行气体分离的情况下直接进入所述ec反应器。在一实施例中，所述第一产物料流的至少一部分用于从水中产生蒸汽。

11、在一实施例中，所述cpox反应器利用氧气作为氧化剂，并且其中任选地所述cpox反应器产物料流在不进行气体分离的情况下直接进入所述ec反应器。在一实施例中，所述第一产物料流的至少一部分再循环到所述cpox反应器，并且其中任选地所述第一产物料流的至少一部分被送至碳捕获单元以隔绝co2。

12、在一实施例中，所述ec反应器包括阳极和阴极以及阳极侧上的催化剂，其中所述催化剂促进化学反向水煤气变换(rwgs)反应。

13、在以下附图、详细描述和权利要求中提供了另外的方面和实施例。除非另有规定，否则如本文所描述的特征是可组合的，并且所有此类组合都在本公开的范围内。

技术特征：

1.一种氢气产生系统，其包括：

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述ec反应器生成包括co和co2的第一产物料流以及包括h2和h2o的第二产物料流，其中两种产物料流彼此不接触。

3.根据权利要求2所述的系统，其被配置成使得所述第二产物料流的一部分再循环以进入所述ec反应器。

4.根据权利要求2所述的系统，其中所述cpox反应器利用空气作为氧化剂，并且任选地其中所述cpox反应器产物料流在不进行气体分离的情况下直接被引入到所述ec反应器中。

5.根据权利要求4所述的系统，其被配置成使得所述第一产物料流的至少一部分再循环以进入所述蒸汽发生器。

6.根据权利要求2所述的系统，其中所述cpox反应器利用氧气作为氧化剂，并且任选地其中所述cpox反应器产物料流在不进行气体分离的情况下直接被引入到所述ec反应器中。

7.根据权利要求6所述的系统，其被配置成使得所述第一产物料流的至少一部分再循环到所述cpox反应器。

8.根据权利要求6所述的系统，其被配置成使得所述第一产物料流的至少一部分被送至碳捕获单元。

9.根据权利要求1所述的系统，其中所述ec反应器包括离子导电膜，其中所述膜还是电子导电的，其中所述反应器能够电化学地进行水煤气变换反应，其中电化学水煤气变换反应涉及离子通过所述膜的交换，并且包含正向水煤气变换反应、或反向水煤气变换反应或两者。

10.根据权利要求1所述的系统，其中所述ec反应器包括阳极和阴极以及阳极侧上的催化剂，其中所述催化剂促进化学反向水煤气变换(rwgs)反应。

11.一种产生氢气的方法，所述方法包括：

12.根据权利要求11所述的方法，其中所述ec反应器包括离子导电膜，其中所述反应器能够电化学地进行水煤气变换反应，其中电化学水煤气变换反应涉及离子通过所述膜的交换，并且包含正向水煤气变换反应、或反向水煤气变换反应或两者。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述膜还是电子导电的。

14.根据权利要求12所述的方法，其中所述膜将所述产物料流与所述蒸汽分离。

15.根据权利要求11所述的方法，其中所述ec反应器包括阳极和阴极以及阳极侧上的催化剂，其中所述催化剂促进化学反向水煤气变换(rwgs)反应。

16.根据权利要求11所述的方法，其中所述ec反应器使所述cpox反应器产物料流在还原环境中氧化并生成包括co和co2的第一产物料流；并且其中所述ec反应器电化学地将蒸汽还原为氢气并生成包括h2和h2o的第二产物料流。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述膜将所述第一产物料流与所述第二产物料流分离。

18.根据权利要求16所述的方法，其中所述第二产物料流的至少一部分再循环以进入所述ec反应器。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述cpox反应器利用空气作为氧化剂，并且其中任选地所述cpox反应器产物料流在不进行气体分离的情况下直接进入所述ec反应器。

20.根据权利要求16所述的方法，其中所述cpox反应器利用氧气作为氧化剂，并且其中任选地所述cpox反应器产物料流在不进行气体分离的情况下直接进入所述ec反应器。

技术总结
本文讨论了一种氢气产生系统，其包括：催化部分氧化(CPOX)反应器；蒸汽发生器；以及电化学(EC)反应器；其中CPOX反应器产物料流被引入到所述EC反应器中，并且所述蒸汽发生器将蒸汽提供到所述EC反应器；并且其中所述产物料流和所述蒸汽在所述EC反应器中彼此不接触。在一实施例中，所述EC反应器生成包括CO和CO<subgt;2</subgt;的第一产物料流以及包括H<subgt;2</subgt;和H<subgt;2</subgt;O的第二产物料流，其中两种产物料流彼此不接触。

技术研发人员：马修·道森,尼古拉斯·法兰多斯,詹森·达纳,金·道森
受保护的技术使用者：环球公用事业公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16